UNIVERSIDAD DE LAMBAYEQUE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA INGENIERÍA AMBIENTAL

ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL PROCESO DE

OBTENCIÓN DE BIODIESEL

ESTUDIANTE:

Bazán Carranza Dalia

PROFESORA:

Alberto Carrasco Tineo

CICLO: VI

Chiclayo, Octubre del 2015

ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIODIESEL

INTRODUCCIÓN

El etanol y el biodiesel producidos de diferentes materiales considerados renovables

constituyen la mejor opción para substituir combustibles de origen f6sil en motores de

combustión interna. Estos biocombustibles son considerados biodegradables y libres de

azufre. Adicionalmente, como su contenido de carbono es de origen vegetal, puede

contribuir a disminuir el contenido de dióxido de carbono en la atmosfera. Tanto el etanol

como el biodiesel pueden ser usados puros o mezclados con I gasolina y diésel

respectivamente, disminuyendo el consumo de combustibles de origen fósil y la

dependencia energética. En países tropicales la calla de azúcar ha sido la materia prima

de mayor uso en la producción de etanol, a través de la fermentación debido a su alto

contenido de sacarosa. Los desarrollos que se han logrado en el campo de los

bioprocesos, han hecho posible el uso de material amiláceo para producir etanol a través

de la hidrolisis y la fermentación. Además, los aceites de origen vegetal y grasas

animales, pueden ser convertidos en biodiesel por medio de diferentes reacciones como

la transesterificación.

La energía es una herramienta que permite analizar los bioprocesos usados para producir

biocombustibles en forma integral. Se define como la máxima cantidad de trabajo útil que

puede ser obtenido de una masa o energía cuando es llevada a través de un proceso

reversible hasta las condiciones de equilibrio mecánico térmico y químico con el medio

ambiente. Cuando se realiza el análisis energético, las irreversibilidades e ineficiencias del

sistema pueden ser contabilizadas como energía destruida, reflejando las ineficiencias de

los procesos. Además, permite comparaciones entre flujos sea de energía o de materia

permitiendo ser contabilizadas en la misma unidad de medida física.

1. OBJETIVO

El objetivo de este trabajo es evaluar los procesos usados para producir biocombustibles usando el análisis termodinámico, entendido como el análisis energético y exegético y estudiar el efecto producido de la variación de las variables de proceso en la eficiencia energética.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

- TRIGLICÉRIDOS

Es un tipo de glicerol que pertenece a la familia de los lípidos. Este glicérido se forma por la esterificación de los tres grupos OH de los gliceroles por diferentes o igual tipo de ácidos grasos, concediéndole el nombre de «triglicérido». Es común llamar a los triglicéridos grasas, si son sólidos a temperatura ambiente, y aceites, si son líquidos a temperatura ambiente.

- ETANOL

Conocido como alcohol etílico, es un alcohol que se presenta en condiciones normales depresión y temperatura como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78,4 °C. Miscible en agua en cualquier proporción; a la concentración de 95 % en peso se forma una mezcla azeotrópica (mezcla líquida de dos o más compuestos químicos que hierven a temperatura constante y que se comportan como si estuviesen formadas por un solo componente.) Su fórmula química es CH3-CH2-OH (C2H6O), principal producto de las bebidas alcohólicas como el vino (alrededor de un 13 %), la cerveza (5 %), los licores (hasta un 50 %) o los aguardientes (hasta un 70 %)002E

- HIDRÓXIDO DE SODIO

(NaOH) o hidróxido sódico, también conocido como soda cáustica o sosa cáustica, es un hidróxido cáustico usado en la industria (principalmente como una base química) en la fabricación de papel, tejidos, y detergentes. Además, se utiliza en la industria petrolera en la elaboración de lodos de perforación base agua. A nivel doméstico, son reconocidas sus utilidades para desbloquear tuberías de desagües de cocinas y baños, entre otros. A temperatura ambiente, el hidróxido de sodio es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe la humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles.

- BIODIESEL

El biodiesel es un Ester que puede ser obtenido de diferentes tipos de aceites o grasas animales o vegetales, como la soja, donde los aceites derivados orgánicamente se combinan con alcohol y son químicamente alterados para formar esteres de alquilo como el etil o metilester. Este puede ser empleado en cualquier motor diésel y se encuentra registrado como combustible y como aditivo para combustibles en la EPA-EEUU.

- TRANSESTERIFICACIÓN

Se define como el proceso químico de intercambio de transformación de un ester a otro por medio del intercambio del grupo alcoxi de un ester por un alcohol. Es el proceso más difundido y utilizado para la producción de biodiesel. En este, intervienen, además del metanol (alcohol), normalmente un catalizador para convertir los ácidos grasos se convierten en esteres metílicos. Representación general de la reacción de transesterificación entre una molécula de triglicérido y tres moléculas de alcohol.

3. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL

3.1.PROCESOS EXISTENTES DE TRANSESTERIFICACIÓN

Existen una enorme variedad de procesos de transesterificacion y de maneras de llevarlos a cabo. Una síntesis de las características principales de los mismos y su agrupación por categorías se presenta a continuación:

POR TAMAÑO O VOLUMEN DE PRODUCCIÓN

- Discontinuo o Batch- Produccion en laboratorio para investigacion- Produccion a escala piloto o “Bench Scale”- Producciones pequenas para zonas rurales haciendo uso de materiales

disponibles: Self-made, madera, barro, ceramica, bombas manuales, estructuras de metal reciclado.

- Semicontinuo- Ingenieria media (electricidad y electronica)- Normalmente companias regionales- Solo transformacion- Alta inversion y Coste elevado del producto- Continuo o Gran escala- CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor)- Grandes empresas del sector energetico para produccion Tipo

Commodities- Engloban toda la linea de produccion: Extraccion, transporte y

transformacion- Bajos costes de produccion- Involucracion de las politicas nacionales Diseño de un reactor de

transesterificación para la producción de biodiésel 36

POR EL TIPO DE CATALIZACION QUÍMICA

- Catalisis Homogenea o Heterogenea- Catalisis enzimatica

- Catalisis en medio basico o en medio acido:- En medio basico el O-H ataca al carbono del acido, formando una

especie intermedia muy inestable. El grupo O–R se separa, y se forma un acido carboxilico que es rapidamente atacado por el grupo Ester–O- formando el nuevo ester.

- En medio acido el grupo R–O- del alcohol actua como nucleofilo y ataca al carbono del ester, desprendiendose el grupo O–R, formando un nuevo ester y un nuevo alcohol.

Alcohol EtanolRelación molar aceite/alcohol …………….

Catalizador Hidróxido de SodioCantidad de catalizador (% en masa respecto al

aceite)%

Temperatura de reacción 60- 65 ºCTiempo de reacción 10 minutos

Agitación Vigorosa y constante

POR LA PROCEDENCIA DEL ACEITE

- Aceites vegetales pretratados- Aceites vegetales o animales sin pretratar- Aceites vegetales o animales con elevada acidez- Aceites usados procedentes de freidurías- Por las condiciones de proceso:- Normales- Supercriticas (Alta fraccion Metanol/Aceite, Alta temperatura y/o Alta

presion)

3.2.PROCESO DE OBTENCIÓN DEL BIODIESEL

MÉTODO

El aceite de palma utilizado en el proyecto se obtuvo de los aceites reciclados de los restaurantes, El etanol absoluto para análisis (96.% de pureza) y el hidróxido de Sodio (85% de pureza) utilizados para la TRANSESTERIFICACIÓN. Para la preparación del catalizador, se agregó un volumen específico de etanol en un vaso de precipitación, y a esta se le adicionó una cantidad previamente pesada de NAOH, la cual se disolvió completamente con la ayuda de un agitador.

MATERIALES

- Hidroxido de sodio

- Etanol

- Aceite de palma

- Balanza electronica

- Vasos de precipitacion

- Bagueta

- Probeta

- Mechero de bunsen

- Termómetro

CONSIDERACIONES:

- TEMPERATURA DE LA REACCIÓN

La temperatura influye claramente en la reacción de transesterificación y en el rendimiento del producto biodiesel. Una temperatura elevada puede disminuir la viscosidad del aceite, dando lugar a un aumento de la velocidad de reacción y una disminución del tiempo de reacción. Sin embargo algunos autores mostraron que cuando la temperatura de reacción aumenta por encima del nivel óptimo, la conversión en biodiesel disminuye porque elevadas temperaturas de reacción aceleran la reacción de saponificación de los triglicéridos. La temperatura de reacción debe ser menor que el punto de ebullición del alcohol para asegurar que este no se pierde por vaporización.

- VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

Al inicio de la reacción, los triglicéridos y el metanol forman dos fases inmiscibles. Dado que la concentración de triglicéridos en metanol es baja, el rendimiento inicial de la reacción es bajo. Por lo tanto, en los momentos iniciales, la reacción es controlada por el mecanismo de transferencia de materia. La agitación es necesaria para aumentar el grado de mezcla de las dos fases y aumentar la velocidad de la transesterificación. A medida que los triglicéridos se convierten en ésteres de ácidos grasos, disminuye la viscosidad de la mezcla de reacción, produciéndose un aumento en la velocidad de la misma, y según avanza la reacción y más ésteres alquílicos se producen, se forma una única fase, los efectos de la mezcla van disminuyendo, el régimen de la reacción cambia a control cinético y la velocidad de reacción estará controlada principalmente por la temperatura. Por tanto, incrementando el grado de mezcla y la temperatura se obtendrán altas velocidades de reacción.

DISEÑO DEL REACTOR

- MATERIAL DE FABRICACIÓN

Acero inoxidable.

- DIMENSIONES

Diámetro: 25 cm

Radio : 12.5 cm

Altura : 31 cm

Volumen de un cilindro = π r2h

Volumen: π (12.5)231

Volumen: 15.217.25 cm3

Volumen en litros: 15.2 litros.

Volumen de trabajo: 10 litros.

- DIMENSIONES DEL AGITADOR

Altura: 27 cmPaletas: 8 cm

- DETALLES

Tapa hermética. Alimentación.

Descarga.

Termómetro.Resistencia eléctrica externa.

4. PROPIEDADES

El biodiesel está compuesto de ésteres mono-alquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de aceites de plantas o grasas animales.

- DENSIDAD

La densidad es una de las propiedades más importantes de los combustibles, ya que los sistemas de inyección, bombas e inyectores deben suministrar la cantidad de combustible con precisión para proporcionar la combustión adecuada. La densidad del biodiesel depende del contenido en ésteres y de la cantidad remanente de alcohol, por lo tanto, esta propiedad viene determinada fundamentalmente por el aceite vegetal elegido y, en cierta medida, por las etapas de purificación aplicadas

- VISCOSIDAD

La viscosidad mínima está establecida de manera similar que para el diesel de petróleo, mientras que la viscosidad máxima está limitada por el diseño de sistemas de inyección de combustible del motor. Los combustibles altamente viscosos pueden ocasionar problemas de combustión, lo cual conlleva a la formación de depósitos así como a una mayor penetración del combustible atomizado en los cilindros del motor.

- HUMEDAD

Se sabe que los ésteres metílicos son más higroscópicos que los combustibles a base de petróleo y, durante el almacenamiento, pueden absorber más agua hasta alcanzar una concentración de aproximadamente 1000 ppm. La presencia de agua libre promueve el crecimiento de microorganismos que degradan el biodiesel, reduciendo su capacidad de almacenamiento. También puede afectar al funcionamiento del motor puesto que los lodos producidos pueden causar obstrucción de los filtros y las líneas por las que circula el combustible

- ÍNDICE DE SAPONIFICACIÓN

El índice de saponificación representa los miligramos de hidróxido de Sodio necesarios para saponificar un gramo de biodiesel. El índice de saponificación se relaciona con el peso molecular promedio de la muestra y depende fundamentalmente de la materia prima (aceite)

utilizada en el proceso de transesterificación y no de las condiciones en que se haya llevado a cabo el mismo.

- ÍNDICE DE ACIDEZ

El índice de acidez es una medida de la concentración de ácidos grasos libres. Esta propiedad se eleva con la degradación del combustible o se asocia a depósitos en el sistema de combustible, reduce la vida de la bomba del combustible y filtros

- ÍNDICE DE COMBUSTIÓN

El punto de combustión es la temperatura en la que una llama provoca la inflamación continuada de un combustible. Suele ser superior al de inflamación.

- PUNTO DE IGNICIÓN

Por consideraciones de seguridad se establece un punto mínimo de ignición. Para el biodiesel (B100) se establece este punto mínimo en 93 °C (200 °F).

- NIVELES ALTOS DE METALES PERTENECIENTES A LOS GRUPOS I Y II

La presencia de sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg) puede causar la formación de depósitos, catalizar reacciones no deseadas y envenenar el sistema de control de emisiones del vehículo. El contenido de metales de los Grupos I y II , así como la combinación de metales en cada categoría, está limitada a un máximo de 5 ppm

- CONTENIDO DE ALCOHOL

Es crítico asegurar que el exceso de alcohol utilizado en el proceso de producción ha sido removido. La presencia de metanol residual es considerado un problema de seguridad, debido a que la presencia de pequeñas cantidades reducen el punto de ignición, pueden afectar las bombas, sellos y las propiedades de combustión del biodiesel. El propósito de la especificación es limitar el contenido de metanol a menos del 0,2 %p/p.

- CONTENIDO DE AGUA Y SEDIMENTOS

Se refiere a gotas de agua libre o partículas de sedimentos. El límite permitido para el biodiesel B100 es el mismo permitido para el diesel convencional. Técnicas de secado poco eficientes, así como el contacto excesivo con agua durante el transporte o almacenamiento, pueden ocasionar que el biodiesel esté fuera de especificación por alto contenido de agua. El exceso de agua puede ocasionar problemas de corrosión y propicia el crecimiento de microorganismos

- CONTENIDO DE CENIZAS SULFATADAS

Es una medida del contenido residual de catalizador básico en el biodiesel, así como de cualquier otro compuesto que forme cenizas y que pueda ocasionar depósitos en los inyectores o ensuciamiento en el sistema de combustible.

- CONTENIDO DE SULFUROS

El propósito de esta especificación es reducir las emisiones contaminantes de sulfatos y ácido sulfúrico. Asimismo, el contenido de sulfuros debe ser menor a 15 ppm para garantizar el funcionamiento apropiado de los filtros de partículas.

- PRUEBA DE CORROSIÓN DE COBRE

Se utiliza para indicar los problemas potenciales que pudiesen ocurrir con los componentes de cobre y bronce del sistema de combustible. Los requerimientos para el biodiesel B100 son idénticos a los del diesel de petróleo. En principio el cobre y el bronce pueden no corroerse en presencia del biodiesel, sin embargo, el contacto prolongado con estos catalizadores puede ocasionar la degradación del combustible y ocasionar la formación de depósitos.

- NÚMERO DE CETANO

Se relaciona con el tiempo de espera para la ignición de un combustible una vez que se encuentra en la cámara de combustión. El diesel de petróleo debe tener un número de cetano mínimo de 40 en los Estados Unidos. Números de cetano altos ayudan a asegurar buenas propiedades de arranque en frío y a minimizar la formación de humo blanco.

- PUNTO DE TURBIDEZ

Es la medida más común utilizada para cuantificar la operatividad del combustible a bajas temperaturas. El punto de turbidez del biodiesel B100 es generalmente más alto que el punto de turbidez del diesel de petróleo.

- NÚMERO ÁCIDO

El número ácido para el biodiesel es primordialmente un indicador de los ácidos grasos libres y puede ser elevado si el combustible no es producido adecuadamente. Números ácidos por encima de 0,50 están asociados con la formación de depósitos en el sistema de combustible y con la reducción de la vida útil de bombas y filtros.

- GLICERINA LIBRE Y TOTAL

Cuantifican la cantidad de grasas no convertidas o parcialmente convertidas y subproductos de glicerina en el combustible. La conversión incompleta de simulación del proceso de producción de biodiesel a partir de aceites vegetales en condiciones súper-críticas 14 grasas y aceites a biodiesel puede originar un alto contenido de glicerina en el combustible. Por su parte, la remoción incompleta del contenido de glicerina ocasiona altos valores de glicerina libre y total, lo cual conlleva a la contaminación de los tanques de almacenamiento, del sistema de combustible y del motor.

- CONTENIDO DE FÓSFORO

Está limitado a un máximo de 10 ppm debido al daño que puede ocasionar en los convertidores catalíticos.

- ESPECIFICACIÓN DE DESTILACIÓN T90

Esta especificación fue incorporada para garantizar que el combustible no estuviese contaminado con materiales con alto punto de ebullición. El biodiesel presenta más que una curva de destilación un único punto de ebullición, lo cual es un comportamiento es característico de su composición. Los ácidos grasos que componen el biodiesel son mayoritariamente hidrocarburos de cadena lineal de 16 a 18 átomos de carbono que tienen puntos de ebullición similares.

- ESTABILIDAD DE OXIDACIÓN

El biodiesel puede oxidarse durante su almacenamiento y manipulación, ocasionando la formación de peróxidos, ácidos y depósitos. El requerimiento mínimo de la estabilidad de oxidación busca asegurar la estabilidad durante el almacenamiento del biodiesel.

- FILTRABILIDAD EN FRÍO

Fue añadido en el año 2008 a la especificación de calidad, como respuesta a evidencias que indicaban que el biodiesel B100 podía formar precipitados a temperaturas por encima del punto de turbidez, en mezclas con diesel de petróleo de hasta un 20%. El biodiesel que cumple con los requerimientos de filtración en frío no forma estos precipitados. Este parámetro junto con el punto de turbidez, son indicativos de la operatividad del combustible en frío

5. ANÁLISIS TERMODINÁMICO

6. CONCLUSIONES

7. BIBLIOGRAFÍA

- HILL, J. W. KOLB, D. K. Química para el nuevo milenio [En línea]. Editorial El Progreso S.A. de C.V. Octava edición. México. Prentice Hall, 1999.

- L.C. MEHER, D. VIDYA SAGAR, S. N. NAYK. Technical aspects of biodiesel production by transesterification a review. En: Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2006. No. 10, p. 248-268.

- PRIETO, I. ALONSO, M. LUENGO, J.C. Fundamentos de máquinas térmicas [En línea]. Textos universitarios Ediuno. Universidad de Oviedo, 2007.

- SYED AMEER BASHA, K. RAJA GOPAL, S. JEBARAC. A review on biodiesel production, combustion, emissions and performance. En: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Septiembre, 2008. no. 13, p. 1628-1634.

- Van Gerpen, J., Shanks, B., Pruszko, R. et al. 2004. Biodiesel Production Technology, August 2002– January 2004.